對鋼結構設計的思考

畢冉升

摘要：隨著建筑產業的不斷發展，鋼結構建筑已經成為我國城市建設的主流。本文深入分析和探討了鋼結構設計原則、鋼結構的特點、鋼結構設計思路和步驟及鋼結構設計過程中應注意的問題。

關鍵詞：鋼結構；設計原則；注意問題

1鋼結構設計原則

近年來，在鋼結構設計中經常出現失穩事故，造成嚴重的人員傷亡與經濟損失，主要原因在于以下兩方面：（1）由于空間網架、網殼結構等新型鋼結構的不斷出現，造成相關設計者沒有足夠的時間去了解掌握這些新型結構設計；（2）由于鋼結構設計者缺乏相關設計經驗，對鋼結構和構件的整體穩定性概念理解不夠清晰，成為鋼結構設計中經常出現的薄弱環節。因此，穩定性成為鋼結構設計中一個突出的問題，如果處理不好此類問題，將會造成不可估量的損失。根據穩定性問題在實際鋼結構設計中的特點，以及在未來更好地保證鋼結構設計中的構件不會喪失穩定性，設計過程中應嚴格遵守以下三條基本原則：（1）保證整體結構細部構造和構件的穩定計算，二者必須相互配合、相互統一；（2）在進行結構布置時，必須從整個體系和組成部分的穩定性要求出發，進行全面考慮；（3）必須保證結構計算簡圖和實際計算方法所依據的簡圖一致，這對框架結構的穩定計算起著相當關鍵的作用。

2鋼結構的特點分析

（1）功能優越。在鋼結構建筑中，結構成為形象構成的重要因素，結構的形體、構件、節點從很大程度上導致并制約著建筑的形象。建筑與結構的設計與功能只有做到一體化，才能使建筑更富功能化，以便隨后的各個設計環節進行下去，創造出技術與藝術融為一體的鋼結構建筑。如中國建筑設計研究院場館方案的外觀即為建筑結構，形象完美純凈，功能與結構達到了完美的統一。還有日本株式會社建筑事務所設計的折疊式方案，屋頂由懸臂的鋼架結構支承，可在30min內完成開閉動作，確保全年比賽及活動不受天氣影響。

（2）生態環保。發展鋼結構對于資源、能源都非常短缺的我國意義尤為重大，因為中國是世界上最大的磚砌體建筑與混凝土建筑大國。鋼材是一種高強度、高效能材料，具有很高的再循環價值，即使邊角料也有價值，不需要制模施工。目前國際上引人矚目的新型住宅產品已引入我國，其環保節能的特點主要體現在兩個方面。該類型住宅采用全封閉式保溫隔熱防潮系統，溫度變化小、熱損失低，不論冬夏都有著舒適的居住環境。室外在O℃時，室內仍可保持在17℃以上，而在室外溫度達到30℃的情況下，室內溫度僅為21℃左右。

3鋼結構設計思路和步驟

3.1鋼結構的形式與布置

鋼結構主要有框架、平面架、網架、索膜、輕鋼以及塔桅等結構形式。通常情況下，每一形式都有其自己的特點，在選型的時候要結合具體情況充分考慮它們的特點，面對具體問題要具體分析。例如對于那些屋面覆蓋跨度較大的建筑，可選擇以構件受拉為主的懸索或索膜結構；在建筑輕鋼工業廠房時，需要有較大的懸掛荷載或移動荷載，此時我們需要選擇與之相適應的網架，放棄門式鋼架。在鋼結構設計中，關于鋼結構的布置必須根據相關體系特征、荷載分布情況及其性質進行綜合考慮。

3.2截面的選擇

對構件截面進行初步估算，主要就是對梁面和支撐斷面形狀與尺寸的假定。鋼粱的截面高度通常根據荷載和支座的具體情況來定，一般是1/20～1/50之間的跨度選擇。對于翼緣的寬度，為了回避鋼粱整體穩定的復雜計算，可根據梁間側向支柱的間距按照1/b限值加以確定。柱截面需要根據長細比進行預估，通常來說x的選擇值在100左右。

3.3結構分析

目前在鋼結構實際設計過程中，通常結構分析為線性彈性分析，條件允許時考慮P-△，P-8。新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能，這為更精確地分析結構提供了有利條件。除此之外，并不是所有的結構都需要使用軟件，對于復雜的結構需要建模運行程序并作詳細的結構分析。

對于簡單結構，可通過手算進行分析，而對于典型結構，可查力學手冊之類的工具書直接獲得內力和變形。結構分析時應充分考慮建筑物的穩定性、安全性，例如考慮多層建筑鋼結構體系，當純框架側移不滿足時，可以采用帶支撐的框架，即在框架體系中，沿結構的縱、橫兩個方向布置一定數量的支撐。沿縱向布置的支撐和沿橫向布置的支撐相連接，形成一個支撐芯筒。豎向支撐桁架起剪力墻的作用，能獲得比純框架結構大得多的抗側力剛度，可以明顯減小建筑物的層間位移。

3.4構件設計

關于構件設計首先應該考慮的是對材料進行合理選擇。目前比較常用的鋼結構材料是Q235和Q345。從經濟的角度考慮，則可選擇不同強度鋼材的截面組合；從便于工程管理的角度考慮，主結構通常采用單一鋼種。近年來，由于程序技術的進步，一些結構軟件可以對整個結構進行全面優化，因此我們只需對優化后的截面進行調整直至合理，同時注意模型的建立以及一些計算長度的參數定義即可。

3.5節點的設計

連接節點的常用方法包括等強設計與實際受力設計兩種，基于安全性考慮，可以采用等強設計法，設計出焊縫、螺栓連接等。作為設計構建中的核心，結構焊接主要有直角焊接、斜角焊接兩種。通常而言，節點設計的主要內容包括焊接、栓接、連接板以及梁腹板，除此之外，還要考慮現場定位、臨時固定施工過程中的便利性。應該嚴格按照相關規范，合理選擇焊接焊縫的尺寸及形式。焊條的選用應和被連接金屬材質相適應。E43對應Q235、E50對應0345，0235與Q345連接時，應該選擇低強度的E43而不是E50。根據傳力特點的不同，節點可分為剛接、鉸接和半剛接，在選用節點時，必須正確判斷節點的連接形式，做到整個設計的安全與合理。

3.6圖紙的編制

鋼結構的設計出圖由設計圖和施工詳圖兩個階段組成：（1）設計圖：是提供制造廠編制施工詳圖的依據。在設計圖中，對于設計依據、荷載資料、技術數據、材料選用及材質要求、設計要求、結構布置、構件截面選用以及結構的主要節點構造等均應表示清楚，以利于施工詳圖的順利編制，并能正確體現設計的意圖，主要材料應列表表示。（2）施工詳圖：通常也稱為加工圖或放樣圖等。深度須能滿足車間直接制造加工，不完全相同的構件單元須單獨繪制表達，并應附有詳盡的材料表。

4鋼結構設計過程中注意的問題

（1）整體分析與優化設計。在鋼結構設計過程中，要盡量選擇與實際工作狀況相符的整體分析模型，對計算模型不得隨意簡化，比如不得隨便把空間問題簡化為平面問題。除此之外，為了獲得理想的設計結構，在設計過程中可以采取優化設計的理念，并將次構件的作用盡可能考慮進來，同時滿足鋼結構設計的安全性與經濟性，降低工程成本。

（2）嚴格控制整體剛度。一般來說，穩定條件、強度條件等并非決定鋼結構構件截面設計的主要因素，而結構的整體剛度條件才是首要考慮的因素，尤其對于一些薄壁構件形成的大跨度結構來說更是如此。因此，設計過程中要注意對結構的整體分析，保證設計效果。

（3）保證計算模型的精確性與結構的可靠性。鋼結構材料屬于相對比較理想的彈塑性體，其組織體現出一定的均勻性，接近各向同性，與現階段很多計算方法、基本概念的要求完全相符。同時，鋼結構構件的連接模型比較符合實際情況，計算過程中的不確定性相對較小，因此計算模型的精確性、結構的可靠性等必須有所保證。

（4）節點構造相對十分復雜。在鋼結構設計過程中，鋼結構構件之間的連接與構造比較復雜，因此在設計過程中要注意并充分考慮這一點。設計節點時要綜合考慮受力情況、建筑要求、構件截面形式、連接方法等各方面因素，再確定出合理、適用的節點構造形式。

5結語

隨著世界先進的鋼結構設計理念和設計思想的涌入，進一步促進了我國鋼結構的發展。盡管從某種程度上來說，與發達國家相比我國鋼結構設計水平與其存在著較大的差距，但是隨著我國經濟的快速發展以及相關研究工作者的不懈努力，我們有理由相信，在不久的將來中國鋼結構水平將邁向一個新的臺階，達到高質量、高水平、高水準的設計目標。